Перспективы разработки генераторного вакуумного выключателя

Белкин Г.С., Перцев А.А., Рыльская Л.A.

Проведены экспериментальные исследования макета вакуумного генераторного выключателя при использовании параллельно включенных камер в основных коммутационных режимах. Результаты исследования показал, что при решенной проблеме деления тока между параллельными камерами возможно отключение и включение токов, характерных для генераторных цепей. Деление тока, наблюдавшееся в макете при отключении и включении, обеспечивает успешную работу выключателя. Определены допустимые пределы неравномерности распределения тока между камерами. Успешно выполнен цикл «Включено-отключено» с включением на ток КЗ промышленной частоты с наибольшим пиком 150 кА.

Введение

Необходимость и потребность энергетики России в генераторных выключателях, отвечающих современным требованиям, весьма велика. На многих электростанциях генераторные выключатели выработали свой ресурс, устарели физически и морально. Конкретно это можно проиллюстрировать примером действующих ГЭС. Анализ проектной документации около 60 ГЭС свидетельствует о полной выработке ресурса выключателей, проработавших по 30 лет и более, что приводит к частым ремонтам, снижению надежности в выдаче мощности. Замене на этих ГЭС подлежат не менее 200 аппаратов. Причем при замене потребуются новые, более современные и надежные аппараты: элегазовые и вакуумные.
Не умаляя достоинств элегазовых аппаратов, отметим очевидные преимущества перед ними аппаратов вакуумных:

1. в десятки раз большая коммутационная износостойкость во всем диапазоне коммутируемых токов, включая токи КЗ;
2. абсолютная экологическая чистота;
3. высокая ремонтопригодность дугогасительных устройств вакуумных выключателей, в которых вакуумные камеры просто заменяются на новые, тогда как для восстановления элегазовых аппаратов необходимы специальные условия и оборудование.

Большое значение имеет также высокая развитость и технологическое совершенство отрасли, выпускающей в России вакуумные дугогасительные камеры (ВДК) необходимых типоразмеров.
ГУП ВЭИ в 2001-2002 гг. выполнил НИР по разработке перспективной модели вакуумного генераторного выключателя на напряжение 20 кВ, номинальный ток 6300 А, номинальный ток отключения 100 к А. Такой выключатель может заменить собою устаревшую модель маломасляного выключателя типа МГУ-20, выпускающегося до сих пор Нижнетуринским электроаппаратным заводом, причем вакуумный выключатель обеспечит в десятки раз большую электрическую износостойкость при уменьшении габаритов, массы и эксплуатационных расходов в несколько раз.
ГУП ВЭИ сделал выбор оптимального модуля (полюса) генераторного выключателя, разработал его блок- схему, разработал, изготовил и испытал макетный образец полюса. В полюсе применено параллельное соединение нескольких вакуумных дугогасительных камер, что обусловлено следующими очевидными преимуществами такого решения перед использованием одной ВДК:

1. возможностью повышать значение коммутируемого тока пропорционально числу параллельных ВДК;
2. полюс выключателя с параллельным соединением камер имеет меньшее активное сопротивление во включенном состоянии, что априорно повышает значение номинального тока без необходимости шунтирования;
3. тот же полюс допускает снижение в несколько раз суммы сил дополнительного контактного нажатия всех параллельных камер в сравнении с силой для одной ВДК на полный ток. Поэтому двух-трехкратное уменьшение этой силы приводит к существенному облегчению задачи создания привода для такого выключателя и др. элементов конструкции;
4. в целом полюс с параллельными ВДК будет дешевле и в производстве, и в эксплуатации.

Полномасштабными испытаниями в «Испытательном центре ГУП ВЭИ» подтверждена возможность увеличения коммутируемого тока полюса путем параллельного соединения ВДК. Макет полюса, содержащий две соединенные параллельно ВДК, испытан с положительным результатом в цикле ВО при включении на ток КЗ с наибольшим пиком 150 кА и периодической составляющей в фазе размыкания 54 кА. Отметим, что этим же макетом отключили ток 80 кА при номинальном токе отключения каждой из ВДК по 40 кА, продемонстрировав тем самым возможность сложения отключаемых ВДК токов.
Выполнено исследование силы электродинамического отталкивания контактов камеры КДВ-35-40/2000 при сквозном токе до 130 кА.
Результаты выполнения этих работ, а также предлагаемая компоновка полюса вакуумного генераторного выключателя представлены ниже.

1. Исследование силы электродинамического отталкивания контактов камеры КДВ-35-40/2000 при сквозном токе до 130 кА

Согласно ГОСТ 687-78 ток включения любого выключателя при испытаниях на стенде характеризуется двумя параметрами: начальным действующим значением его периодической составляющей / , которое должно быть не менее номинального тока отключения I ; и его наибольшим пиком /вп. Для генераторных выключателей наибольший пик тока при включении может втрое превышать действующее значение периодической составляющей, т.е. i =3 I Г11. Если учесть, что значение / не должно быть меньше номинального тока отключения / , то при проектировании генераторного выключателя следует предусмотреть возможность включения на ток КЗ с наибольшим пиком / =31 .
Для выключателя с номинальным током отключения 100 кА расчетное значение наибольшего пика тока при включении следует принять равным 300 кА.
Таблица 1

После каждого опыта производился бестоковый разрыв сварившихся контактов камеры.
В 60-х годах прошедшего столетия в опытах, проведенных в ВЭИ, было показано, что для обеспечения динамической стойкости пары медных торцовых контактов при значении наибольшего пика сквозного тока 300 кА необходимо контактное нажатие не менее 20 кН (2-х тонн!) [2].
При изготовлении контактов из материала с меньшей, чем у меди, электропроводностью необходимое контактное нажатие должно быть существенно большим. Очевидно, что создать вакуумную дугогасительную камеру, способную выдержать протекание сквозного тока столь высоких значений, задача трудноразрешимая. На предшествующем этапе работ принято решение об использовании в каждом полюсе генераторного выключателя трех соединенных параллельно камер. При использовании камер типа КДВ-35-40/ 2000 с номинальным током отключения 40 кА, рассчитанных на прохождение сквозного тока КЗ с наибольшим пиком 100 кА, задача включения полюса выключателя на ток КЗ с / = 300 кА решается общепринятыми методами, хотя при ее решении необходимо считаться с особенностями работы группы из соединенных параллельно камер. В частности, необходимо исследовать фактически имеющую место силу электродинамического отталкивания контактов камеры при /вн> 100 кА. Это исследование выполнено на стенде ударного генератора ТИ-12 ГУП ВЭИ. Испытан опытный образец камеры КДВ-35-40/2000 с контактами, возбуждающими аксиальное магнитное поле. Камера устанавливалась в приспособлении, обеспечивающем возможность плавного изменения силы нажатия контактов и ее измерения динамометром. Требуемое значение силы устанавливалось за счет деформации упругого элемента динамометра. В ходе эксперимента после каждого опыта с пропусканием сквозного тока производился бестоковый разрыв сварившихся контактов, табл. 1, с постепенно увеличивающимися от опыта к опыту значениями сквозного тока и силы нажатия контактов установлено, что при наибольшем пике сквозного тока 100 кА отталкивания контактов не происходит, если дополнительное контактное нажатие равно или превышает 3 кН. При пике 130 кА отталкивания контактов не происходит при нажатии 5 кН, при нажатии 4 кН наблюдается нарушение контактирования.
Выполнено сравнение полученных результатов со случаем, когда в составе выключателя использовались бы не камеры с контактами, возбуждающими аксиальное магнитное поле, а камеры со спиральными контактами, возбуждающими радиальное магнитное поле. Требуемое нажатие контактов для одной из таких камер при пике сквозного тока 100 кА составляет 4,5 кН, т.е. в полтора раза больше, чем для КДВ-35-40/2000. Предположено, что 1,5-кратное уменьшение значения силы необходимого нажатия контактов для камеры КДВ-35-40/2000 обусловлено электромагнитным взаимодействием индукторов обоих контактов, обтекаемых отключаемым током. В индукторах в силу конструктивных особенностей контактов протекают однонаправленные круговые токи, вызывающие возникновение между контактами сжимающей их силы, частично компенсирующей силу электродинамического отталкивания. Расчетом установлено, что при пике сквозного тока 100 кА компенсирующая сила достигает 1,6 кН, что полностью подтверждает вышеизложенное объяснение экспериментальных результатов. Такая компенсация существенно облегчает работу привода и является дополнительным аргументом в пользу применения камер с аксиальным магнитным полем в выключателях на высшие значения токов включения.
2. Экспериментальное исследование работы двух соединенных параллельно ВДК при выполнении цикла ВО при токе КЗ с наибольшим пиком до 150 кА
Эксперимент выполнен на макете полюса выключателя. К испытаниям подготовлен образец, укомплектованный двумя соединенными параллельно камерами типа КДВ-35-40/2000. Приняты меры по усилению механической стойкости элементов крепления камер и ошиновки в выключателе с целью предотвращения разрушений при ударных электродинамических воздействиях, достигающих многих тысяч ньютонов.
Целями испытаний были:

1. экспериментальное подтверждение достаточности принятых решений, обеспечивающих равномерное деление тока КЗ между камерами при наличии разновременности моментов смыкания контактов камер;
2. проверка способности вакуумных камер типа КДВ-35-40/2000 выдержать механические и электрические воздействия при включении тока с наибольшим пиковым значением до 150 кА.

Испытания проводились на установке с ударным генератором ТИ-100, рис. 1. Результаты испытаний приведены в табл. 2.
Таблица 2

Запись процессов при реализации испытательных циклов ВО представлена на рис. 2. Из него следует, что примерно через 90 мс после подачи команды на включение, кривая 1, контакты вакуумных дугогасительных камер смыкались и через полюс выключателя начинал протекать ток КЗ, кривая 3.
За 30-40 мс до смыкания контактов камер от ударного генератора ТИ-100 включающим аппаратом ВА на испытуемый выключатель подавалось напряжение, кривая 6. Через интервал около 40 мс после смыкания контактов подавалась команда на отключение выключателя, кривая 2, и через собственное время отключения выключателя, также равное примерно 40 мс, начинался процесс дугогашения, который завершался при первом переходе тока через нулевое значение. Таким образом, продолжительность протекания тока КЗ составляла около 80 мс, или 8 полуволн тока. Через 50 мс после прерывания тока испытуемым выключателем напряжение с него снималось отключением защитного выключателя ЗВ, рис. 1. Значение тока КЗ от опыта к опыту варьировалось изменением напряжения от ударного генератора при неизменности сопротивления цепи тока.
Каких-либо сбоев в работе выключателя в ходе испытаний не наблюдалось. Осциллограмма включения- отключения тока КЗ с наибольшим пиком 150 кА приведена на рис. 2. Она свидетельствует не только об успешном выполнении цикла ВО при экстремальном значении тока. Ею документируется факт практически полной равномерности деления тока КЗ между камерами, за исключением первой и последней полуволн тока, когда равномерность деления искажается наличием разновременности моментов смыкания контактов в операции «включено» и моментов размыкания контактов в операции «отключено». Отметим, что в данном опыте разновременность смыкания контактов в операции «В» достигает значения At = 4 мс. За это время ток в первой сомкнувшей контакты камере, кривая 5, рис. 2, нарастает примерно до 85 кА, в то время как во второй камере он равен нулю, кривая 4. Примерно через 3 мс после включения второй камеры пик тока в первой достигает 100 кА. Во второй камере наибольшее значение пика тока достигает 55 кА, т. е. примерно в два раза меньше. Тем не менее, через две полуволны тока происходит практически полное выравнивание токов между камерами: по одной и второй протекают соответственно токи 28 и 27 кА при полном токе 54 кА. (Здесь 2%-ное несоответствие суммарного тока и его слагаемых находится в пределах допустимой погрешности измерений).

Рис. 1. Схема испытаний в циклах ВО.
Успешное выполнение цикла ВО и обусловлено тем, что, во-первых, наибольший пик тока через камеру не превышал 100 кА, что допустимо при дополнительном поджатии 3 кН; во-вторых, тем, что произошло быстрое выравнивание тока между обеими камерами, и в операции «О» каждая из камер отключила ток не более 30 кА, что также далеко до предельного тока (40 кА) камер КДВ-35-40/2000.
Очевидно, что даже небольшое увеличение пика включаемого полюсом тока сверх 150 кА, например до 200 кА, уже не обеспечит успешное включение. Дело в том, что при At = 4 мс неравномерность деления пика тока между камерами, как показано выше, достигает двухкратного значения, поэтому наибольший пик тока в первой включившейся камере достигнет 130 кА, а во второй - 70 кА. Ясно, что первая камера окажется перегруженной, и полюс не обеспечит включения на ток 200 кА.
Полностью реализовать возможности камер можно лишь путем уменьшения значения At. Представляется вполне возможным механическое смыкание контактов всех трех камер в полюсе выключателя осуществить с разновременностью At не более 1,0 мс. Это осуществимо, если при скорости контактов в момент смыкания 1 м/с длины межконтактных промежутков будут различаться не более, чем на 1,0 мм. Причем это условие должно выполняться даже после реализации нескольких тысяч механических операций ВО. Отсюда и следует требование к повышенной жесткости силовых элементов конструкции полюса выключателя.

Рис. 2. Осциллограмма цикла ВО, выполненного макетом полюса генераторного выключателя при включении на ток КЗ с наибольшим пиком 150 кА.
(1 - команда на включение; 2 - команда на отключение; 3 - ток КЗ полюса выключателя; 4 - ток камеры 1; 5 - ток камеры 2; 6 - напряжение на полюсе выключателя. Метки времени через 2 мс).
К сожалению, фактическое значение At обусловливается не только точностью регулировки механики выключателя. Оно подвержено существенным флуктуациям за счет возникновения дуги предвключения в камере, в которой произойдет раньше других пробой межконтактного промежутка под действием приложенного напряжения.
Обработка результатов исследований и их анализ позволяют сделать следующие выводы.

1. Испытания макета полюса показали, что полюс с двумя камерами успешно отключил ток 80 кА (2001 г.) [4] и успешно выполнил цикл ВО при наибольшем пике тока включения 150 кА. Из этого следует, что полюс с тремя параллельными камерами КДВ- 35-40/2000 обеспечит успешную работу трёхполюсного выключателя с номинальным током отключения 100 кА, с наибольшим пиком тока включения до 300 кА и номинальным током 6300 А при номинальном напряжении до 20 кВ.
2. Испытания показали, что ток при включении за время одного-двух по- лупериодов промышленной частоты распределяется практически поровну между параллельными камерами, чем обусловливается суммирование отключаемых токов камер и подтверждается достаточность принятых решений, обеспечивающих равномерное деление тока КЗ между камерами.
3. Сила дополнительного контактного нажатая камер зависит от значения разновременности смыкания контактов параллельных камер в операции «В». В выключателе на пик тока включения 300 кА при разновременности смыкания контактов At < 1 мс сила дополнительного нажатия для камер КДВ-35- 40/2000 должна быть не ниже 4кН.
4. Вакуумные дутогасительные камеры типа КДВ-35-40/2000 выдерживают без повреждений механические и электрические воздействия при включении на ток КЗ.

2. Компоновка полюса вакуумного генераторного выключателя
Проработка компоновки вакуумного генераторного выключателя выполнена с расчетом заменить им маломасляный МГУ-20. Полюс содержит три соединённых параллельно вакуумных дутогасительных камеры типа КДВ- 35-40/2500.
Использование в макете камер на напряжение 35 кВ обусловлено тем, что восстанавливающееся на полюсе напряжение может более чем удваиваться в некоторых режимах, например в режиме рассогласования фаз. Поэтому применение в макете камер на 35 кВ оправдано.
Параллельное соединение камер в полюсе позволяет снизить до минимальных значений электропрочность изоляции между смежными камерами. Её можно ограничить воздействием одноминутного напряжения 5 кВ, 50 Гц. Отметим, что от «земли» и между разомкнутыми контактами ВДК полюс должен выдерживать испытательные напряжения для выключателя класса 20 кВ.
При разработке компоновки полюса использованы элементы выключателя ВВЭ-М-10-31,5/1600 УЗ РЗВА.
Таблица 3

В табл. 3 приведено сравнение характеристик выключателей МГУ-20 и вакуумного.
Характеристики сравниваемых выключателей по номинальному напряжению, номинальному току, номинальному току отключения, сквозному току и току термической стойкости одинаковы. Но на этом тождественность выключателей и завершается. Маломасляный не может включиться на ток КЗ более 30 к А (амплитуда 75 кА), несоизмеримы времена включения и отключения, ток включающего электромагнита МГУ-20 в 1,5 раза больше такового для вакуумного выключателя, соответственно сопротивление дугогасительного контура для первого выключателя впятеро больше, чем для второго, коммутационная износостойкость вакуумного выключателя на порядок величины больше таковой для маломасляного, кроме того, первый выключатель позволяет реализовать при необходимости все циклы АПВ по ГОСТ-687, а второй такой возможности не дает.
Видно также явное преимущество вакуумного выключателя по массогабаритным показателям.
Несопоставимы затраты на обслуживание этих выключателей.

Заключение

Результаты, полученные в ходе выполнения представленной выше работы, показали принципиальную возможность замены вырабатывающих свой ресурс маломасляных генераторных выключателей типа МГУ-20 на вакуумные.
Основные элементы, компоновка и возможности вакуумного генераторного выключателя представлены в настоящей статье. Определен тип вакуумной камеры для генераторного выключателя, выбраны необходимые сила нажатия контактов и средства равномерного деления тока между параллельными камерами. На макете выключателя показана его работоспособность в режимах отключения и выключения при токах короткого замыкания. Предложена компоновка вакуумного выключателя.
Положительные результаты НИР дают возможность сделать вывод о необходимости продолжения работы в виде ОКР по вакуумному генераторному выключателю. На стадии ОКР должны быть проработаны конструкция выключателя, система управления им, средства деления тока между параллельными камерами и средства форсирования затухания апериодической составляющей тока.

Список литературы

1. Я.И. Шерман. О некоторых условиях работы высоковольтных аппаратов при включении на короткое замыкание // Высоковольтное аппаратостроение: Энергия, Ленинградское отделение, 1969 г., с. 272.
2. А. М. Бронштейн, В.Р. Герчиков. Дугогасящие системы мощных воздушных генераторных выключателей // Исследования дугогасительных устройств выключателей высокого напряжения, выпуск II, изд. Информэлектро, Москва, 1970, с. 36.
3. Технические условия ИМПБ.686484.007 ТУ, с. 36.
4. Отчет ВЭИ по теме 6.6. «Исследование процесса коммутации вакуумными дуго1 аси- тельными камерами (ВДК) больших токов (до 80 кА) с целью выбора оптимального модуля сверхмощных вакуумных выключателей (генераторных выключателей, выключателей для собственных нужд электростанций и др.)», шифр темы ГБ 12-0200-101, арх. № 8107- 0200, ГУП ВЭИ, Москва, 2001 г.